Реализация гиперболического вихревого плазменного реактора для удаления микрозагрязнителей из воды

Основное внимание в наших исследованиях уделяется оптимизации плазменных выбросов для разложения микрозагрязнителей в воде, что в настоящее время является растущей экологической проблемой. Мы обнаружили, что за счет оптимизации плазменного разряда и тщательного дозирования катионных поверхностно-активных веществ мы можем достичь почти 100% деградации PFAS при умеренном потреблении энергии. Плазменная обработка, как правило, является энергоемким процессом.

Тем не менее, применяя плазменные импульсы, можно значительно снизить потребление энергии при одновременном повышении производительности. И в этом исследовании мы демонстрируем, как добиться такой оптимизации. После настройки гиперболической вихревой плазмы используйте электрическую схему, предназначенную для настройки дугового разряда постоянного тока.

Подключите положительный и отрицательный высоковольтные выходы мостового выпрямителя к электродам, расположенным над поверхностью водяного вихря. Подключите вариак к розетке переменного тока напряжением 230 В и выключите красный предохранительный выключатель для включения высокого напряжения. С помощью вариака постепенно увеличивайте напряжение от нуля до 250 вольт для воспламенения плазменного разряда.

Далее используйте электрическую цепь, настроенную на разряд дуги переменного тока. Затем подключите оба высоковольтных выхода к электродам, расположенным над поверхностью водного вихря. После подключения вариака и отключения показанных ранее предохранительных выключателей постепенно увеличивайте напряжение с нуля вольт до 250 вольт для воспламенения плазменного разряда.

Далее, чтобы выполнить тлеющий разряд в атмосфере гелия, используйте показанную здесь электрическую схему. Подключите высоковольтные выходы электрической цепи к электродам, расположенным над поверхностью водяного вихря. После подключения вариака и отключения предохранительного выключателя откройте газовый клапан, чтобы ввести гелий с желаемой скоростью потока.

Затем с помощью вариака медленно увеличивайте напряжение для воспламенения плазменного разряда до тех пор, пока между электродами не произойдет электрический пробой и плазма не перейдет от тлеющего разряда к дуговому разряду. Далее, чтобы инициировать биполярный импульсный разряд, используйте электрическую цепь, как показано на схеме, подключите высоковольтные выходы к электродам, подключите выходы высокого напряжения к розетке переменного тока напряжением 230 вольт и выключите предохранительный выключатель. Затем постепенно увеличивайте напряжение с нуля до 250 вольт, чтобы воспламенить плазменный разряд.

Для монополярных импульсных стримерных разрядов при необходимости используйте схему, показанную на схеме, для положительного или отрицательного разряда. Подсоедините противоположную клемму к видимому искровому разряднику и заземляющему электроду. Остальные высоковольтные выходы прикрепите к электродам, расположенным над поверхностью водяного вихря.

Затем откройте газовый клапан и отрегулируйте поток сжатого воздуха с точностью до 0,5 к одной атмосфере, чтобы продуть искровой разрядник. После подключения вариака и включения предохранительного выключателя подожгите плазменный разряд, как показано ранее. Чтобы завершить эксперимент, уменьшите переменное напряжение, выключите источник питания и включите предохранительный выключатель.

Затем закройте все газовые клапаны для гелия и сжатого воздуха, если они использовались во время эксперимента. С помощью палочки заземления коснитесь всех металлических компонентов, чтобы убедиться, что они правильно заземлены. Среди трех разрядов при вспышке были получены самые высокие концентрации перекиси водорода — примерно 450 миллиграммов на литр, нитритов — около 90 миллиграммов на литр и нитратов — около 340 миллиграммов на литр.

Разряд вспышки вызвал наиболее выраженное падение pH, уменьшив его примерно с 5,5 до 2,3. Электропроводность была самой высокой в образцах, обработанных пробоем, достигая около 2300 микросименс на сантиметр. Наиболее значительно окислительно-восстановительный потенциал увеличивался в просверливающем разряде, достигая примерно 600 мВ.

При вспышке при выбросе ПФОС было достигнуто самое быстрое и полное разложение при обеих исходных концентрациях, достигнув почти 100% конверсии к 60 минутам, превысив положительные и отрицательные выбросы. В матрице ПФАС, без поверхностно-активного вещества, длинноцепочечные соединения, такие как ПФДА, ПФНА, ПФОС и ПФОК, демонстрировали деградацию выше 90% через 75 минут. Напротив, короткоцепочечные соединения, такие как PFBS и PFBA, оставались в основном неклассифицированными или концентрировались с повышенной концентрацией из-за образования побочных продуктов.

При добавлении поверхностно-активного вещества все длинноцепочечные соединения PFAS разлагались более чем на 95%, а деградация короткоцепочечных соединений, таких как PFBA, улучшилась с минус 19% до примерно 53%, а PFBS с 22% до примерно 95%. Концентрация PFHxA начала снижаться через 20 минут, а PFPeA снизилась через 30 минут обработки с дозировкой сурфактанта, что указывает на прогрессирующее расщепление побочных продуктов PFAS.